Der Applied Technology Satellites 6 (ATS 6)

ATS-6 Aufbau Der letzte Satellit der Applied Technology Satellites, ATS 6 unterscheidet sich gravierend von seinen Vorgängern und er rechtfertigt einen eigenen Aufsatz.

Seine Vorgänger waren drall-stabilisierte Satelliten, die von Hughes auf Basis ihrer Kommunikationssatellitenbusse gebaut wurden. Ihre primäre Aufgabe war die Wetterbeobachtung, und das Retransmitten von Wettersatellitenfotos an Bodenstationen. Dagegen war ATS 6 ein dreiachsenstabilisierter experimenteller Kommunikationssatellit, dreimal schwerer als sein Vorgänger ATS 5.

Applied Technology Satellites 6 (ATS 6) bestand aus einem Zentralkörper mit der Avionik und einigen Experimenten. Dieser Körper wurde auch unten an der Trägerrakete befestigt. Darüber wurde mit Streben aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff die beim Start zusammengefaltete Hauptantenne montiert. An dem Reflektor der Antenne befanden sich weitere Experimente. Zwei Solarpaneele an Auslegern mit gekurvten Oberflächen lieferten zu Miktionsbeginn 645 Watt an Leistung, nach zwei Jahren sollten es noch 595 Watt sein, davon werden 485 Watt für den Betrieb benötigt, Die gekurvte Fläche sollte unter jedem Einfaltswinkel eine konstante Leistung erbringen. Zwei 15 AH Nickelcadmiumbatterien lieferten Strom für die Zeit im Erdschatten. Der elektrische Bus wurde auf eine regulierte Spannung von 30,5 Volt ausgelegt.

Die Lageregelung erfolgte durch sechs kleine Triebwerke die 40 kg Hydrazin aus einem Drucktank katalytisch zersetzten. Für das Aufrechterhalten der Position brauchte 1,6 kg Treibstoff pro Jahr. Fast die Hälfte des Triebstoffs waren vorgesehen für die Korrektur der Bahn nach Trennung von der Trägerrakete. Viel Treibstoff verbrauchte auch das Verlagern der Position.

Der Satellit hatte eine konventionellen Kommandoreceiver mit einem Speicher von 512 Kommandos und 45 Datenworten. Die Lageregelung des dreiachsenstabilisierten Satelliten erfolgte durch ein eigenes Computersystem das Attitude Control System ACS. Es hat einen eigenen 4.096 Wort großen Speicher und war eine Neuerung. Zur Absicherung dieses digitalen Kontrollsystems gab es noch einen analogen Backup-Controller. Die Thermalkontrolle hielt das Innere bei einer Temperatur zwischen 5 und 35 Grad Celsisus.

Im Orbit hat der Satellit 8,2 m hoch und hatte eine Spannweite von 15,8 m. Entwickelt und gebaut wurde der Satellit von Fairchild Industries zwischen 1969 und 1973.

ATS 6 entstand auch um Entwicklungshilfe zu leisten als gemeinsames Projekt der NASA und der indischen Weltraumorganisation ISRO. Ziel war es Bildung in indische Dörfer zu bringen die bisher von Fernsehen und Radio abgeschottet waren. Die ISRO stellte die Empfangsterminals und Inhalte, die NASA den Satelliten.

Experimente

Es war nicht das einzige Kommunikationsexperiment an Bord von ATS-6. Ein weiteres Experiment beschäftigte sich mit der Auswirkung der Dämpfung im K-Band bei einer Frequenz von 13,5 und 18 GHz. Dazu sandten 15 Sendestationen wie über 100 Meilen auseinander lagen und neun eng beieinander liegende Stationen ein Signal bei 13 und 18 GHz zu ATS-6, der transformierte es auf 4 GHz und sandte es zu einer Auswertungsbodenstation zurück. Ziel war es Sender und Empfänger für zukünftige Kommunikationssatelliten, die bei über 10 GHz arbeiteten auf die zu erwartenden Verluste durch Dämpfung einzustellen.

Ein weiteres Experiment maß bei noch höheren Frequenzen im Milimeterband die Dämpfung bei 20 und 30 GHz. Damit sollte auch geklärt werden ob dies für meteorologische Untersuchungen nützlich ist.

Ein weiteres S-Band Experiment beschäftigte sich mit Bildungsfernsehen für die USA. Es operierte im S-Band. Es gab hier zwei TV-Kanäle bei 2,5 und 2,69 GHz Sendefrequenz.

Im L-Band wurde zusätzlich untersucht, ob eine Kommunikation mit Flugzeugen über dieses Band möglich ist und ob es zusätzlich möglich ist, die Position und Geschwindigkeit von Flugzeugen mittels Satellit zu bestimmen. Dabei diente ATS-6 als Relay zwischen einer Bodenstation und den beteiligten Flugzeugen. Dieses Experiment wurde auch erfolgreich genutzt um Daten von Satelliten im LEO-Orbit zur Bodenstation zu übertragen.

Dazu gab es die Experimente die Technologien und die Umgebung von Satelliten untersuchten. Ein Experiment sucht nach Ausgasungen von Komponenten, ein weiteres untersuchte ob ein Antennenarray genutzt werden kann um als Interferometer Daten über die räumliche Ausrichtung von ATS-6 zu liefern. Ein weiteres Experiment sollte Daten liefern, ob so die Ausrichtung des Satelliten automatisch erfolgen kann, anstatt vorher durch ein Kommando der Missionskontrolle. Davon unabhängig gab es ein zweites System aus Sonnen- und Erdsensoren welche die Satellitenausrichtung auf 0,1 Grad genau kontrollierten, verbunden mit einem analogen Computer. ATS-6 war der erste dreiachsenstabilisierte Satellit im GEO. Zur Drehung wurden Reaktionsschwungräder genutzt.

Wie bei den Vorgängern den Applied Technology Satellites ATS 1 bis 5 wurde die Signalabschwächung und Veränderung in drei niederfrequenten Bändern bei 40, 137 und 400 MHz) genutzt um Aussagen über die Teilchenumgebung zwischen ATS-6 und einer Sendestation zu gewinnen.

Die Veränderung von Solarzellen im Orbit und deren Temperatur wurde an 80 Solarzellen von 16 verschiedenen Typen bestimmt. Diese gab es zusätzlich zu den für die Stromversorgung benötigten Solarzellen am Bus. Diese Daten halfen die Lebensdauer/Leistungsabnahme von Solargeneratoren zu verbessern.

An Bord waren auch zwei experimentelle Ionentriebwerke, die ersten im Einsatz der USA. Jedes Triebwerk hatte einen Nennschub von 4,5 mN bei einer Leistungsaufnahme von 150 Watt. Der spezifische Impuls betrug rund 24.500 m/s. Beide Triebwerke fielen aber früh aus. Das eine nach einer das zweote nach 92 Stunden. Bei Bodentests hatten die Triebwerke über 2.600 Stunden bei 471 Zyklen gearbeitet. Es zeigte sich bei der Auswertung der Daten das das Arbeitsmedium Cäsium ungewollt in die Reaktionskammer eingedrungen war. Schon frühere ATS-Satelliten hatten Ionentriebwerke an Bord, die jedoch weil die Satelliten nicht ihre planmäßige Umlaufbahn erreichten, nie in Betrieb gingen.

Ein weiteres Experiment erprobte erstmals Heatpipes um die Temperatur eines Satelliten zu regeln. Dies erfolgte aber nicht mit der Avionik von ATS-6 sondern einem Solar-Absorber als eigenes Experiment.

Das Geosynchronous Very High Resolution Radiometer (GVHRR) war ein experimentelles Radiometer (Temperaturmessgerät), das die von der Erdoberfläche oder Wolken abgegebene Strahlung im visuellen Bereich (0,55 bis 0,75 Mikrometer Wellenlänge und im Infraroten (10,5 bis 12,5 Mikrometer Wellenlänge) bestimmte. Die Auflösung betrug 10,8 km im IR und 5,5 km im Visuellen am Fußpunkt über dem Äquator. Ein Bild umfasste 2.400 x 1.200 Pixels im visuellen und 1.200 x 1.200 Pixel im IR-Bereich. Damit wurden nicht nur Oberflächentemperaturen gemessen sondern auch Wolken vermessen, denn deren Oberfläche liegt viel höher und ist viel Kälter. Über den Vergleich verschiedener Aufnahmen kann die Veränderung von Wolken oder Windbewegungen bestimmt werden. Leider fiel das GVHRR sehr früh in der Mission am 15. August 1974 aus.

Dazu kamen weitere Experimente die energiereiche Teilchen, Elektronen, Ionen und das Magnetfeld um den Satelliten untersuchten. Je nach Zählweise gab es so 20 bis 23 Experimente auf ATS-6. Die wichtigsten Experimente waren aber die verschiedenen Kommunikationsexperimente.

Kommunikation

Der Applied Technology Satellites ATS 6 war der erste Direktfernsehsatellit, mehr als ein Jahrzehnt bevor der erste kommerzielle Direktfernsehsatellit erschien (kurioserweise Astra 1A in Europa, in den USA dauerte es noch erheblich länger). Damals hatten Kommunikationssatelliten relativ kleine Antennen und leistungsschwache Sender. Die Sende- und Empfangsstationen wurden von nationalen Fernmeldeagenturen betrieben wie in Deutschland der Bundespost und sie waren riesig. Die Bundespost hatte (und hat) bei Raisting damals Antennen von 25 bis 32 m Durchmesser für das Senden und Empfangen von Daten. Für einen Direktfernsehsatelliten mussten die Empfangsantennen viel kleiner werden. Damit diese trotzdem noch Signale empfangen konnten bekam ATS 6 eine riesige Kommunikationsantenne von 9,15 m Durchmesser, verbunden mit leistungsstarken Sendern von 40 und 80 Watt Sendeleistung. Ausreichend für einen Empfang waren sogar nur 15 Watt Sendestärke, da die Antenne je nach Frequenzband einen Gewinn von 40 bis 50 db hatte. Alle Sendefrequenzen wurden von einer Basisfrequenz abgeleitet, die ein mit 100 MHz schwingender Oszillator erzeugte.

Für das hochfrequente Ka-Band Experiment war diese Antenne aber ungeeignet, dafür folgte das Metallnetz nicht genau genug der Form eines Paraboloids. Dieses Experiment hatte eine eigene kleine Parabolantenne von 46 cm Durchmesser an der erdzugewandten Seite des Busses.

Die Titan 3C Trägerrakete hatte eine Nutzlasthülle von 3 m Durchmesser. In diese würde diese Antenne als starrer Reflektor also nie passen. Die Antenne bestand nicht mehr aus einer festen Struktur sondern Rippen, zwischen die ein Metallnetz gespannt war. Beim Start waren die Rippen zu einem hohen Turm zusammengefaltet. Im Orbit trieb ein pyrotechnisch angetriebener Motor die Rippen auseinander und entfaltete so die Antenne. Die Rippen rasteten in der Endposition ein, sodass die Form stabil blieb. 48 Rippen bildeten das Gerüst. In der Mitte gab es auf einem gemeinsamen Block Sender und Empfänger für das C, S, L- VHF und UHF-Band. Zusammengefaltet betrug der Durchmesser der Parabolantenne nur 1,8 m bei nur 83 kg Gewicht. Die Antenne war ausgelegt, um im S-Band bei etwa 2 GHz Frequenz die beste Leistung zu erbringen.

Diese Antenne war mehr als dreimal größer als jede bisher von der NASA eingesetzte Antenne und sechsmal größer als gängige Antennen von Kommunikationssatelliten. Die Technologie bewährte sich und offerierte neben der Möglichkeit größere Antennen einzusetzen als die Nutzlastverkleidung der Rakete bei starren Reflektoren erlaubte, auch eine Gewichtsersparnis. Die NASA setzte faltbare Antennen dann bei der ersten Generation der TDRS-Satelliten ein, welche die Daten von Satelliten empfingen und an eine zentrale Empfangstation weiterleiteten und so Bodenstationen der NASA überflüssig machten. Ebenso wurde dieser Antennentyp auch bei der Raumsonde Galileo eingesetzt. Hier zeigte sich aber schon die Schwäche des Konzepts. Je höher die Wellenlänge ist desto exakter muss das Metallnetz der idealen Form eines Paraboloids folgen. Die TDRS-Antenne, die Galileo einsetzte, wurde daher kostenaufwendig modifiziert, indem es zusätzliche Spannseile und Fixpunkte für das Metallnetz gab, da Galileo im viermal höher frequenten X-Band sendete. Bis heute werden diese Antennen eingesetzt, der führende US-Hersteller Harris hat mehrere Antennen von bis zu 14 m Durchmesser im Portfolio. Sie werden vor allem für militärische Satelliten genutzt, wie bei ATS-6 für niedrige Frequenzen im L- und S-Band. Die NASA ging bei den folgenden TDRS-Satelliten die auch bei höheren Frequenzen senden und empfangen sollten wieder auf starre Reflektoren über.

Die Terminals in Indien hatten jeweils eine Parabolschüssel von 3 m Durchmesser. Groß für heutige Verhältnisse, aber klein verglichen mit damals üblichen Bodenstationen. Zwei große Bodenstationen bei Delhi und Ahmedabad sandten Fernsehsendungen bei 6 GHz zu ATS-6. Der Satellit empfing das Signal und sandte es wieder aus bei 860 MHz im L-Band und 4 GHz im C-Band. Die Nutzung des niederfrequenten L-Bandes (Satellitenkommunikation von kommerziellen Kommunikationssatelliten erfolgte bis dato immer im C-Band) wurde genutzt, um hybride Empfänger in Indien mit niedrigen Kosten zu bauen, da diese Frequenz nahe der terrestrischen Frequenz lag. Es gab 2.400 direkte Empfänger in sechs Bundesstaaten und an diese angeschlossen 2.600 konventionelle Empfänger die das von den direkten Empfängern erneut im terrestrischen Band ausgesandte Signal empfingen. Die TV-Programme betrafen vor allem das was man bei uns Bildungsfernsehen nennen würde. Eine Empfangsstation mit 3 m Antenne kostete nur umgerechnet 600 Dollar.

Dieses Experiment war sehr erfolgreich und veranlasste Indien zum Aufbau eines eigenen Satellitensystems. Es gab zwei Satelliten in Auftrag, INSAT 1A und 1B, die von Ford gebaut wurden. Später folgten weitere INSAT, auch von Indien selbst entwickelte Kommunikationssatelliten.

Nicht nur über Indien wurde der Satellit eingesetzt, auch in den USA um Gebiete die stark unterversorgt waren mit einem Zugang zu Fernsehen und Kommunikation zu versehen. So wurde in Alaska erfolgreich eine Ferndiagnose durch einen Arzt erprobt, instinktive Vorbereitung auf die eigentliche Behandlung für die der Arzt dann doch einfliegen musste.

Start und Einsatz

ATS 6 wog 1.400 kg und das ohne einen Apogäumsantrieb, seine Vorgänger wogen dagegen unter 400 kg. Er war damit zu schwer für die Atlas Centaur, welche die NASA als Trägerrakete einsetzte und die die letzten beiden Satelliten des Programms ATS 4 und ATS 5 startete.. Die NASA bestellte von der Air Force eine Titan 3C, die leistungsfähigste damals verfügbare Trägerrakete der USA. Sie konnte den Satelliten direkt in den geostationären Orbit bringen. Das war eine seltene Ausnahme, denn die NASA nutzte zwar die Titan 3E für sieben Starts von Raumsonden, aber sonst nie die Titan. Auch danach folgten nur zwei Starts von NASA-Satelliten mit der Titan, der von Landsat 6 an Bord einer Titan 23G und der von Cassini an Bord einer Titan 4B.

Der Start fand am 30.6.1974 statt. Die Oberstufe Transtage platzierte ATS 6 so genau in die geostationäre Bahn, dass 8 kg weniger Treibstoff für das erreichen der Zielposition benötigt wurden und die Lebensdauer des Satelliten die durch den verfügbaren Treibstoff begrenzt war, von zwei auf fünf Jahre anstieg.

Während des ersten Jahrs war ATS-6 über den USA stationiert und führte hier die erste Hälfte seines Experimentalprogramms durch. Er demonstrierte erfolgreich, das ein Flugzeug über Satellit steuerbar ist und stellte die erste direkte Verbindung von einem Flugzeug zu einem Schiff her. Dieses Experiment war von Bedeutung, weil damals ein Satellitenprogramm namens Aerosat geplant war, mit dem der Luftraum überwacht und damit sicherer werden sollte. Das Programm wurde aber später wieder gestrichen.

Aus der erfolgreichen Übertragung von Daten von anderen Satelliten in niedrigen Orbit erwuchs aber ein eigenes Programm, die TDRS-Satelliten der NASA. Die öffentlichkeitswirksamste Übertragung war die der TV-Bilder der Apollo-Sojus Testmission vom 15 bis 24. Juli 1975. Während 55 Prozent der Missionszeit von ASTP konnte ATS-6 Bilder übertragen. Mit Bodenstationen war die Abdeckung viel geringer.

Danach wanderte ATS-6 mit 2,5 Grad pro Tag nach Indien und wurde bei 35 Grad Ost im Juli 1975 stationiert. Es folgte nun die zweite Phase des Primärprogramms in Zusammenarbeit mit der ISRO. Vom 1.8.1975 an begann ein einjähriger Großversuch des Schulfernsehens über Satellit an 5.000 Gemeinden. Gefolgt im Herbst 1976 von dem Programm AIDSAT das sich an 27 Entwicklungsländer richtete und diese über die Vorteile von Raumfahrttechnik für ihr Leben aufklären sollte. Danach wurde ATS-6 wieder über die USA transferiert, wo er im Dezember 1976 bei 145 Grad östlicher Länge positioniert wurde.

Das erste Reaktionsschwungrad für die Neupositionierung der räumlichen Ausrichtung fiel im Juli 1975 aus, sodass die Missionskontrolle eine Ersatzvorgehensweise mit zwei Schwungrädern erarbeitete und erfolgreich umsetzte. Das Ende der Mission kam durch den stufenweisen Ausfall von Lageregelungstriebwerken. Als nur noch eines von sechs einsatzfähig Triebwerken war wurde im Juli 1979 zuerst mit dem Resttreibstoff der Orbit über den GEO angehoben und danach ATS-6 abgeschaltet.

ATS-G

Wie von vielen Satelliten wurde auch von ATS-6 (intern ATS-F) ein zweites Flugexemplar gebaut. Das diente als Absicherung für einen Fehlstart wie auch zur Fehlersuche bei einem realen Objekt. Geplant war dieses zweite Exemplar auch zu starten, doch als das Budget 1973 gekürzt wurde, wurde ATS-G eingelagert. Erst Jahre später wurde der Satellit dem Smithsonian Museum gestiftet wo der bis heute ausgestellt wird.